1、摘要随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理逐渐发展成为一门独立的学科，成为信息科学的重要组成部分，在语音处理、雷达、图像处理、通信、生物医学工程等众多领域中得到广泛应用。 Matlab 语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，Matlab 功能强大、简单易学、编程效率高，深受广大科技工作者的喜爱。特别是Matlab 还具有信号分析工具箱，不需具备很强的编程能力，就可以很方便地进行语音信号分析、处理和设计。语音信号的抽样、频谱分析，滤波讨论分析，通过数字信号处理课程的理论知识的综合运用。从实践上初步实现对数字信号的处理。关键词： 语音处理 抽样 频谱分析 滤波器目 录绪论
2、 1第一章 课程设计方案提出 .2第一节 设计要求 .2第二节 设计方案 .2第二章 语音信号的采集及加噪 .3第一节 语音信号的录制 .3第二节 语音信号的时域分析 .4第三节 语音信号加噪和频谱分析 .6第三章 滤波器的选择 .7第一节 滤波器的基本概念 .7一 滤波器的功能 .7二 四种基本的滤波器 7第二节 数字滤波器的基本知识 .8一 FIR 数字滤波器 8二 IIR 数字滤波器 9第三节 数字滤波器的选取 .9第四章 心得体会 10参考文献 .110绪 论MATLAB 是 matrix图 3.1b.用 windows media player 播放一首音乐并用 MIC 对着耳机录音
3、或自已说话录音（按键） ，到 10 秒时停止（按 键） （如图 3.2） ； 图 3.2 c.将录制文件加存为 D:/MATLAB7/work 中，文件名为 shijiebei.wav（如图 3.2、图3.3） ； 3图 3.3 第二节 语音信号的时域分析在MATLAB软件平台下，利用MATLAB中的“wavread”命令来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再对其进行采样，记住采样频率和采样点数。通过使用wavread函数，可以深入理解采样频率、采样位数等概念， 下面介绍Wavread 函数几种调用格式。（1）y=wavread（file） ；读取 file 所规定的 wav 文件，返
4、回采样值放在向量 y 中。（2）y,fs,nbits=wavread(file) ；采样值放在向量 y 中，fs 表示采样频率（hz） ，nbits 表示采样位数。（3）y=wavread（file，N） ；读取钱 N 点的采样值放在向量 y 中。（4）y=wavread（file，N1,N2） ；读取从 N1 到 N2 点的采样值放在向量 y 中。接下来，对语音信号 shijiebei.wav 进行采样。其采样程序如下：y,fs,nbits=wavered (E:shejishijiebei);即把语音信号加载入 Matlab 仿真软件平台中。然后，画出语音信号的时域波形，再对语音信号进行频
5、谱分析。MATLAB 提供了快速傅里叶变换算法 FFT 计算 DFT 的函数 fft,其调用格式如下：Xk=fft(xn,N)参数 xn 为被变换的时域序列向量，N 是 DFT 变换区间长度，当 N 大于 xn 的长度4时，fft 函数自动在 xn 后面补零。 ，当 N 小于 xn 的长度时，fft 函数计算 xn 的前 N 个元素，忽略其后面的元素。在本次设计中，我们利用 fft 对语音信号进行快速傅里叶变换，就可以得到信号的频谱特性。其程序如下：y,fs,nbits=wavread ( shijiebei);sound(y,fs,nbits); %回放语音信号N= length (y) ;
6、 %求出语音信号的长度Y=fft(y,N); %傅里叶变换subplot(2,1,1);plot(y);title(原始信号波形);subplot(2,1,2);plot(abs(Y);title(原始信号频谱)程序运行结果如下图：图3.4 原始信号波形及频谱5第三节 语音信号加噪和频谱分析MATLAB 中产生高斯白噪声非常方便，有两个产生高斯白噪声的两个函数 。我们可以直接应用两个函数：一个是 WGN，另一个是 AWGN。WGN 用于产生高斯白噪声，AWGN 则用于在某一信号中加入高斯白噪声。也可直接用 randn 函数产生高斯分布序列。在本次课程设计中，我们是利用 MATLAB 中的随机函
7、数 (rand 或 randn)产生噪声加入到语音信号中，模仿语音信号被污染，并对其频谱分析。Randn 函数有两种基本调用格式：Randn(n)和 Randn（m,n）,前者产生 nn 服从标准高斯分布的随机数矩阵，后者产生 mn 的随机数矩阵。在这里，我们选用 Randn（m,n）函数。语音信号添加噪声及其频谱分析的主要程序如下：y,fs,nbits=wavread ( shijiebei);N = length (y) ; %求出语音信号的长度Noise=0.01*randn(n,2); %随机函数产生噪声Si=y+Noise; %语音信号加入噪声 sound(Si);subplot(2
8、,1,1);plot(Si);title(加噪语音信号的时域波形 );S=fft(Si); %傅里叶变换subplot(2,1,2);plot(abs(S); title(加噪语音信号的频域波形);程序运行结果如下图：6图3.5 加噪后的波形及频谱分析第三章 滤波器的选择第一节 滤波器的基本概念一 滤波器的功能滤波器的功能是对输入信号进行滤波以增强所需信号部分，抑制不要的部分。二 四种基本的滤波器四种基本滤波器为低通（LP） 、高通(HP)、带通(BP)和带阻滤波器(BRP) ，这四种滤波器特性如下图 3-1 所示：7图 3-6第二节 数字滤波器的基本知识数字滤波器分为 FIR 数字滤波器和
9、IIR 数字滤波器两种，即有限冲激响应滤波器（FIR，Finite Impulse Response）滤波器和无线冲激响应（IIR，Infinite Impulse Response）滤波器。一 FIR 数字滤波器（一） FIR 的特点： （3-1）nNnzhzH10)()(不存在极点（z=0 除外） ，系统函数| z0|处收敛。系统单位冲激响应在有限个 n 值处不为零。结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈。故只能用较高的阶数达到高的选择性。FIR 数字滤波器的幅频特性精度较之于 IIR 数字滤波器低，但是线性相位即不同频率分量的信号经过 FIR 数字滤波器后他们的时间差不变。FIR
10、数字滤波器具有系统稳定，易实现相位控制，允许设计多带通滤波器等优点。8（二）FIR 结构FIR 数字滤波器的结构有四种：横截性；级联型结构；频率采样型结构；线性相位 FIR 滤波器的结构。二 IIR 数字滤波器（一）IIR 数字滤波器的特点电位冲激响应 h(n)是无限长的；系统函数 H(z)在有限 z 平面上（0 |z|）有极点存在；结构上存在着输出到输入的反馈，也就是结构上是递归型的。IIR 滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成。（二） 有限阶 IIR 的表达式： （3-2）)()(01 knxbknyayMNk （3-3）NkkzazXYH10)(（三）IIR 滤波器的四
11、种结构IIR 数字滤波器的结构也有四种：直接 I 型；直接 II 型典范型；级联型；并联型。第三节 数字滤波器的选取由图 2-1 和图 2-2 可以看出，语音信号的能量集中在低频部分，所以根据滤波器的特性和功能，所选择的滤波器应该具有滤除无用的高频成分的作用，所以可以选用低通滤波器。又由于 IIR 数字滤波器的输出不但取决于过去和现在的输入，还取决于过去的输出，所以，选择 IIR 数字滤波器比选择 FIR 数字滤波器要好。通过徐靖涛.基于 MATLAB 的语音信号分析与处理J.重庆科技学院学报 2008,1 中的 2.4 的阅读，可知，本语音信号的滤波选取椭圆型数字低通滤波器效果最好。9第四章
12、 心得体会这次课程设计历时一个星期，可以说是苦多于甜，但是可以学的到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次设计，进一步加深了对数字信号处理的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。但是在编写程序时，也遇到了不少问题，特别是程序语法，总是有错误，在细心的检查下，终于找出了错误和警告，排除困难后，程序编译就通过了，心里终于舒了一口气。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时在设计的过程中发现了自己的不
13、足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。总的来说，这次课程设计还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤的指导下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。最后，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢10参考文献1、 陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用M.北京：电子工业出版设，2008.12、 张文.基于MATLAB的语音信号的滤波与实现J.山西电子技术出版社.2008.23、 徐靖涛.基于MATLAB的语音信号分析与处理J重庆科技学院学报2008.14、 黄文填，李金平.基于 MATLAB 的语音信号的分析和滤波处理J. 北京联合大学信息学院.2009,455、 胡航.语音信号处理M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20026、 张威. MATLAB 基础和编程入门M.西安电子科技大学出版社， 2006
